I ricercatori della Georgia Tech e della Emory University hanno sviluppato un dispositivo che riutilizza l'energia generata dalla discesa delle scale per facilitare la salita delle scale.

Il dispositivo fornisce una soluzione pratica per milioni di persone che hanno difficoltà a percorrere le scale per vari motivi, tra cui malattia articolare degenerativa, lesioni e interventi chirurgici.

I nuovo dispositivo, scale assistive interattive a riciclaggio di energia che immagazzinano l'energia generata da un utente durante la discesa e la restituiscono durante la salita, renderanno molto più semplice per le persone che hanno bisogno di aiuto camminare su e giù per le scale. Il dispositivo può essere semplicemente posizionato sopra le scale esistenti, evitando così costose ristrutturazioni.

Il gruppo di ricerca è diretto da Karen Liu, un professore associato nel Scuola di Informatica Interattiva alla Georgia Tech e Lena Ting, professore di ingegneria biomedica presso la Wallace H. Coulter Dipartimento di ingegneria biomedica presso Georgia Tech ed Emory.

Lo studio completo è pubblicato in PLOS ONE, una rivista scientifica.

Come funziona il dispositivo?

Il dispositivo prototipo ha due scale, ciascuna caricata con molle e dotata di sensori di pressione. I gradini delle scale del dispositivo si muovono su e giù per l'altezza di un gradino. Quando un utente scende le scale, il gradino è allo stesso livello del pavimento e il gradino si abbassa accettando il peso dell'utente, provocando la compressione delle molle attaccate ai gradini e risparmiando energia generata attraverso l'impatto. Dopo che è stato abbassato, il battistrada rimane bloccato in posizione finché qualcuno non sale le scale. Questa funzione riduce le forze frenanti sulla caviglia dell'utente del 26%.

L'energia immagazzinata viene rilasciata all'utente quando sale le scale. Quando la scala rileva che qualcuno sta salendo, il fermo del battistrada viene rilasciato in modo da sollevare la gamba posteriore. Questa funzione riduce lo stress sul ginocchio dell'utente di circa il 37%, rispetto alle scale tradizionali.

“A differenza della normale camminata in cui ogni colpo di tallone dissipa energia che può essere potenzialmente ripristinata, la salita delle scale è in realtà molto efficiente dal punto di vista energetico; la maggior parte dell’energia che metti va in energia potenziale per sollevarti”, ha detto Liu in una nota.

“Ma poi ho capito che scendere le scale è piuttosto uno spreco. Si dissipa energia per evitare di cadere e ho pensato che sarebbe stato fantastico se potessimo immagazzinare l'energia sprecata durante la discesa e restituirla all'utente durante la salita."

Il dispositivo è progettato per essere efficiente dal punto di vista energetico, sfruttando l’energia rilasciata da un utente durante la discesa, che altrimenti sarebbe andata sprecata.

"Scendere le scale è come premere i freni [sic] della tua auto mentre fai girare il motore", ha detto Ting in una nota.

“Le tue gambe usano molta energia per rinforzarsi ad ogni passo per evitare di cadere troppo velocemente. Le nostre scale immagazzinano quell’energia invece di sprecarla”.

Il dispositivo è inoltre progettato per alleviare lo stress dalla caviglia, secondo Canzone Yun Seong, che ha costruito il dispositivo come ricercatore post-dottorato presso la Georgia Tech, ed è attualmente professore assistente presso l'Università di Scienza e Tecnologia del Missouri.

"La molla nelle scale, al posto della caviglia, agisce come un cuscino e un freno", ha detto Song in una nota.

"Il delicato movimento verso il basso allevia il lavoro della caviglia, che è ciò che ti mantiene in equilibrio e ti impedisce di cadere troppo velocemente sulle scale normali."

Poiché il dispositivo può essere posizionato su scale esistenti, potrebbe essere una soluzione semplice e relativamente economica per coloro che hanno problemi a salire e scendere le scale.

“Le soluzioni attuali per le persone che hanno bisogno di aiuto non sono molto convenienti. Ascensori e montascale sono spesso poco pratici da installare a casa”, ha affermato Liu in una nota.

“Le scale assistive a basso costo e facilmente installabili potrebbero essere un modo per consentire alle persone di mantenere la capacità di utilizzare le scale e di non uscire di casa”.

Il dispositivo sarebbe pratico anche per coloro che hanno una necessità temporanea di aiuto per salire e scendere le scale, come le persone che si stanno riprendendo da un infortunio o da un intervento chirurgico e le donne incinte.

“Mantenere la mobilità è una questione di tipo “usala o perdila”. È importante mantenere le persone in grado di camminare e di essere indipendenti nonostante gli infortuni e l'invecchiamento per massimizzare la qualità della vita", ha affermato Ting in una nota.

La ricerca è stata sostenuta da un finanziamento dell' Fondazione nazionale della scienza (EFRI-1137229).

Sviluppo del dispositivo

Il prototipo del dispositivo ha 2 scale, può essere utilizzato da una persona alla volta ed è limitato a utenti fino a 122 kg (o 267 libbre).

La University Network (TUN) ha parlato sia con Liu che con Ting per scoprire come intendono sviluppare il dispositivo.

"I prossimi passi immediati sono costruire una scala completa... e testarla su persone che necessitano di assistenza nell'uso delle scale", ha detto Ting a TUN.

I ricercatori ritengono che sia possibile sviluppare il dispositivo affinché possa essere utilizzato da più utenti contemporaneamente.

"L'attuale prototipo è progettato per l'installazione nelle case dove un utente alla volta probabilmente non è un grosso problema", ha detto Liu.

"Con un ulteriore sviluppo, riteniamo che sia possibile utilizzarlo in altre applicazioni con più utenti simultanei."

In termini di limitazione del peso, i ricercatori riconoscono che il prototipo non può essere regolato durante il movimento, ma confermano che potrebbe essere adattato per l’uso da parte di utenti più pesanti utilizzando molle più rigide.

"Attualmente modifichiamo la rigidità manualmente semplicemente sganciando o agganciando alcune molle per ottenere la rigidità desiderata", ha detto Liu.

“Il nostro modello attuale non può essere modificato al volo per persone diverse. Tuttavia, anche se le molle non sono ottimizzate per il peso di qualcuno, trarrai comunque vantaggio dalle scale. In effetti, non abbiamo effettuato studi formali per selezionare la rigidità ottimale della molla, ma abbiamo semplicemente selezionato un valore da testare per la prova del concetto.

I ricercatori hanno depositato un brevetto provvisorio per il dispositivo.

Conclusione

Le scale assistive a riciclo energetico potrebbero migliorare la vita di milioni di persone che hanno bisogno di aiuto per salire e scendere le scale. Il dispositivo rappresenterebbe una soluzione semplice, pratica e relativamente economica, sia che la necessità di assistenza sia permanente o temporanea.

"Per me la parte più importante di questa tecnologia è la sua 'semplicità'", ha detto Liu a TUN.

“La lotta con la negoziazione delle scale è molto diffusa tra gli anziani. Per risolvere un problema reale come questo, una soluzione semplice è solitamente la soluzione migliore”.